Obvod pro těžbu elektřiny z grafenu. Kredit: University of Arkansas.

Zní to jako pohádka doby covidové. Ale tohle je příběh, jakých byste chtěli slýchat co nejvíc. Tým americké University of Arkansas postavil elektronický obvod, který těží energii z grafenu. Jen tak. Využívá tepelné pohyby grafenu a přetváří je na elektrický proud.

Jak popisuje vedoucí výzkumného týmu Paul Thibado, jejich obvod je možné zabudovat do čipu. Tam pak může vyrábět čistou a prakticky neomezenou elektrickou energii, pravda, o nízkém napětí. I tak by to ale bylo dostačující pro provoz malých elektronických zařízení či senzorů. Jejich výzkum publikoval časopis Physical Review E.

Thibado a jeho tým úspěšně rozvinuli teorii, se kterou přišli v roce 2017. Tehdy tvrdili, že bude možné z kusu grafenu těžit elektřinu. Zároveň je to pěkně kontroverzní záležitost, protože vyvrací slavné tvrzení Richarda Feynmana, že z tepelného pohybu atomů, tedy z legendárního Brownova pohybu, není možné získat práci.

Paul Thibado. Kredit: Russell Cothren / University of Arkansas.

Thibado ovšem podle všeho neměl dostatečný respekt a postavil se Feynmanovi čelem. Se svými kolegy prokázal, že tepelné pohyby grafenu ve skutečnosti mohou ve vhodně postaveném elektrickém obvodu vytvořit střídavý elektrický proud. Něco takové se doposud považovalo za nemožné. Jejich důmyslný obvod s grafenem dokonce oproti očekávání zvyšuje množství elektrické energie, které obvodu může dodávat.

Badatelé ve svém výzkumu využili relativně novou oblast fyziky, stochastickou termodynamiku, která využívá náhodné proměnné k lepšímu pochopení nerovnovážné dynamiky. Takové procesy se vyskytují v mnoha mikroskopických systémech, od koloidů, přes biopolymery, až po enzymy a molekulární motory.

University of Arkansas, logo.

Podle autorů studie je vlastně grafen a jejich obvod ve (fyzikální) symbióze. Jejich teplota je přitom stejná, což je podle Thibada důležité. Pokud by totiž v obvodu vytvářejícím práci panoval rozdíl teplot mezi grafenem a zbytkem obvodu, tak by se dostali do křížku s druhým termodynamickým zákonem.

Podle tohoto zákona chladnější těleso nemůže samovolně předat teplo teplejšímu tělesu. A tak odvážný Thibadův tým zase nebyl. Toto pravidlo neporušili. Jak trefně podotýká Thibado, ani si nemuseli najmout žádného potměšilého Maxwellova démona, který by jim třídil horké a chladné elektrony. Velkou výhodou jejich obvodu je, že vytváří proud na nízkých frekvencích, protože se grafen v obvodu pohybuje relativně pomalu. Kdyby se v budoucnu povedlo umístit miliony takových obvodů s grafenem na malý čip, tak by mohl nahradit baterii o nízkém výkonu. Což by nebylo k zahození.

Video: Graphene Circuit Animation

Literatura

University of Arkansas 2. 10. 2020.

Physical Review E 102: 042101.